FundamentosFundamentos de de Geoprocessamento Geoprocessamento
INPE -INPE - Divisão Divisão de de Processamento Processamento de de Imagens Imagens
Introdução a SIGIntrodução a SIG Modelagem de Dados Modelagem de Dados
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 22
IntroduçãoIntrodução
Geoprocessamento representa a áreado conhecimento que utiliza técnicasmatemáticas e computacionais paratratar a informação geográfica.
Sistemas de Informação Geográfica(SIG) são as ferramentas computacionaispara Geoprocessamento, integrandodados de diversas fontes em bancos dedados geo-referenciados.
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 33
VisõesVisões de de Geoprocessamento Geoprocessamento
• Produção de Mapas: geração evisualização de dados espaciais.
• Banco de Dados: armazenamento erecuperação de informação espacial.
• Análise Espacial: combinação deinformações espaciais.
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 44
OO que há que há de especial com de especial com dadosdados espaciaisespaciais??
• Localização: Onde está...?– Quais as áreas com declividade acima de 20%?
• Condição: O que está...?– Qual a população desta cidade?
• Tendência: O que mudou...?– Esta terra era produtiva há cinco anos atrás?
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 55
OO que há que há de especial com de especial com dadosdados espaciaisespaciais??
• Roteamento: Qual o melhor caminho...?– Qual o melhor caminho para a linha do metrô?
• Padrões: Qual o padrão...?– Qual a distribuição da dengue em Fortaleza?
• Modelos: O que acontece se...?– O que acontece com o clima se desmatarmos a
Amazônia?
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 66
OO que há que há de especial com de especial com dadosdados espaciaisespaciais??
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 77
OO que há que há de especial com de especial com dadosdados espaciaisespaciais??
• Dados geográficos - representação dual– localização e atributos
• Localização– representação da superfície terrestre– processos no espaço geográfico
• Atributos– descrição do fenômeno– representação num banco de dados
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 88
OO que há que há de especial com de especial com dadosdados espaciaisespaciais??
• Correlação espacial– vizinhos tendem a ser “mais semelhantes”
• Correlação entre variáveis– processos de ocupação do espaço
• Correlação temporal– evolução dos dados espaciais
• Correlação topológica– relações espaciais entre dados
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 99
SistemasSistemas de de Informação Geográfica Informação Geográfica
• Ambiente computacional paraGeoprocessamento– Integrar dados cartográficos, cadastrais, de
sensores remotos, redes e modelos numéricosde terreno.
– Consultar, recuperar, visualisar, manipular eplotar o conteúdo de um banco de dados geo-referenciado.
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1010
EstruturaEstrutura de um SIG de um SIG
Interface
Consulta e Análise Espacial
Entrada e Integraçãode Dados
VisualizaçãoPlotagem
Gerência Dados Espaciais
Banco de DadosGeográfico
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1111
SIG -SIG - definições definições,, conceitos conceitos
• Burrough– Conjunto poderoso de ferramentas para coletar,
armazenar, recuperar, transformar e visualizardados sobre o mundo real.
• Cowen– Um sistema de suporte à decisão que integra
dados referenciados espacialmente numambiente de respostas a problemas.
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1212
SIG -SIG - definições definições,, conceitos conceitos
• Goodchild– O valor potencial maior de sistemas de
informação geográfica está em sua capacidadede analisar dados espaciais.
• Dangermond– Um SIG agrupa, unifica e integra a informação.
Torna-a disponível de uma forma a qualninguém teve acesso anteriormente e colocainformação antiga num novo contexto.
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1313
SIG x CADSIG x CAD
• CAD– coordenadas de papel– regularidades nos objetos– desenhos sem atributos
• SIG– projeções cartográficas– topologia do espaço– atributos descritivos
Angola
África do Sul
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1414
ModelagemModelagem de de dados geográficos dados geográficos
Mundo real
Universo Universo
Conceitual Representação Implementação
Universo Universo
interface usuário
• Níveis de abstraçãomundo real → cadastro urbano, vegetação, solosconceitual → campos, objetosrepresentação → matrizes, vetoresimplementação → R-trees, quad-trees
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1515
UniversoUniverso do do Mundo Mundo Real Real
• Mapas temáticos• Mapas cadastrais• Modelos numéricos de terreno• Redes• Imagens de satélite
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1616
OO que que é um é um mapa mapa??
• Modelo simplificado da realidade.• Uma representação, normalmente em
escala, de uma seleção de entidadesabstratas relacionadas com a superfícieda Terra.
• Modelo de dados que se interpõe entre arealidade e a base de dados de um SIG.
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1717
Tipos de mapaTipos de mapa
• Carta topográfica– representação de superfícies
• Mapas temáticos– conceitos qualitativos (uso do solo, clima)
• Mapas cadastrais e redes– localização de objetos do mundo (lotes)
• Imagens de satélite– informação indireta sobre a realidade
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1818
Mapas temáticosMapas temáticos
• Distribuição espacial qualitativa dagrandeza em estudo
• Domínio do atributo– nominal: lista de valores
• mapa de vegetação• {floresta, cerrado, desmatamento}
– ordinal: escala de medida• mapa de classes de declividade• {0-5%, 5-10%, >10%}
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 1919
Modelos Numéricos de TerrenoModelos Numéricos de Terreno
• Distribuição espacial quantitativada grandeza em estudo
• Domínio do atributo– intervalo: referência arbitrária
• altimetria, batimetria• temperatura em graus Celsius
– razão: referência natural• peso, distância• temperatura em graus Kelvin
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2020
Mapas cadastraisMapas cadastrais
• Contém objetos geográficos individuais– mapas de países, lotes, propriedades rurais
País PIB (Us$ bn)
Pop (milhões)
Argentina
Brasil 350
295 34
159
Chile 45 14
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2121
Mapas de redeMapas de rede
• Contém objetos com topologia arco-nó– utilizado para redes conectadas
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2222
Mapas de redeMapas de rede
• Objetos endereçados no espaço• Exemplo: rede de distribuição elétrica
– rede primária– rede secundária– sub-estações, alimentadores– postes, transformadores, chaves– cadastro urbano– cadastro de consumidores
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2323
Mapas de redeMapas de rede
• Ligação forte com banco de dados
id label capacidade
22 Eng. Dentro 3.000 kVA
id label Transformador2345 32-17-95 Classe 3
Sub-estações
Postes
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2424
ImagensImagens
• Fontes: satélites, fotografiasaéreas
• Elemento de imagem (pixel)– proporcional à energia
eletromagnética refletida ouemitida por área da superfícieterrestre
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2525
Modelando a naturezaModelando a natureza
• O que há num mapa?• Linhas no mapa
– divisão política– separação entre tipos de solo– isolinhas (cota 1000)
• E o mapa como modelo dedados?
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2626
Universo conceitualUniverso conceitual
• Campos (variáveis geográficascontínuas)– mapa temático– modelo numérico do terreno– imagem
• Objetos (variáveis geográficasdiscretas)– linhas de transmissão– quadras
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2727
Universo conceitual: geo-campoUniverso conceitual: geo-campo
Geo-Campo: ƒ= [ R, A, λ] , onde: R ⊂ ℜ 2, A = { A1, A2, ..., An} é um conjunto de atributos e λ: R→ A mapeia pontos de R para valores em A.
Representa a distribuição espacial de uma variável que possui valores em todos os pontos pertencentes a R.
Contra-domínio da função conjunto enumerável = temático
mapa de cobertura vegetal valores contínuos (-∞ a +∞ ) = numérico
mapa de aeromagnetometria
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2828
Universo conceitual: geo-objetosUniverso conceitual: geo-objetos
Dadas as regiões geográficas R1,R2,..Rn (Ri⊂ ℜ 2) e o conjunto deatributos convencionais A1,...,An,
Geo-Objeto go = [ r1, r2, ..., rn, a1, a2,...,an], onde ri ⊆ Ri é uma parte de uma região geográfica Ri e ai ∈ Ai é um valor particulardo atributo Ai.
É um elemento único que possui atributos não-espaciais e está associado a múltiplas localizações geográficas.
País PIB Pop
ArgentinaBrasil 800
300 34159
Chile 45 14
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 2929
Geo-objetosGeo-objetos
• Um geo-objeto, múltiplas representações
•1
•2
•3
id nomeAmazonasXingu
id nomeYanomamiWaimiri
Kayapó
12
3
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3030
Mapa cadastralMapa cadastral
• Suporte para mapeamento de objetos
Lotes
geoid dono cadastro IPTU
22 Guimarães Caetés 768
endereço
22250186
Mapa Lotes n. 345Jardim Esplanada
23 Bevilácqua São João 456 110427
24 Ribeiro Caetés 790 271055
23
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3131
Mapas de RedeMapas de Rede
p. 92-17-63
tr. 1567primária
Sub-estação
p 92-17-64
Hospital
secun.cons. 0193516
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3232
Universo de RepresentaçãoUniverso de Representação
is-mapped-in
Dado de Sensoriamento Remoto
Geo-objeto
Cadastral
Plano de Informação
Rede
Banco de DadosGeográficos
Temático
Geo-campo
Numérico
is-a is-a
is-a
is-a
part-of
Não-espacial
part-of part-of
Banco de Dados Geográficos é composto por conjuntos de planos de informação,
um conjunto de geo-objetos e um conjunto de objetos não-espaciais
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3333
Universo de RepresentaçãoUniverso de Representação
Plano deInformação
RepresentaçãoGeométrica
Matricial Vetorial
é-um
is-represented-by
é-um
Plano de Informação é a generalização dos conceitos degeo-campo e de objeto cadastral
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3434
Estruturas de DadosEstruturas de Dados
• Vetoriais– arco-nó-polígono– arco-nó– grades triangulares
• Matriciais– matrizes de inteiros– matrizes de ponto flutuante– matrizes de caracteres (bytes)
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3535
Representação VetorialRepresentação Vetorial
• Componentes– ponto, linha, região– região M={1,2,3,4,5}
• Topologia– relação espacial entre objetos– Toulouse fica na região M
M1
2 3
45
toulouse
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3636
TopologiaTopologia
Estrutura topológica do tipo nó-linha-polígono
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3737
Representação MatricialRepresentação Matricial
• Componentes– matriz de células– índice espacial– cada célula, um valor
• Indica o que ocorre em cadalugar do espaço
Le
Li
AqLs
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3838
Representações para mapas temáticosRepresentações para mapas temáticos
• Vetorial– preserva relacionamentos topológicos– associa atributos a elementos gráficos– melhor exatidão e eficiência de armazenamento
• Matricial– fenômenos variantes no espaço– adequado para simulação e modelagem– processamento mais rápido e simples– maior gasto em armazenamento
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 3939
Representações para MNTRepresentações para MNT
Grade regular (matriz de reais)• elemento com espaçamento fixo• valor estimado da grandeza
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 4040
Representações para MNTRepresentações para MNT
Grade triangular (TIN)• conexão entre amostras• estrutura topológica arco-nó
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 4141
Representações para MNTRepresentações para MNT
Grade triangular Grade regular
Vantagens 1. Melhor representação de re-
levo complexo
2. Incorporação de restrições
como linhas de crista
1. Facilita manuseio e
conversão
2. Adequada para geo-
física e visualização
3D
Problemas 1. Complexidade de manuseio
2. Inadequada para visualiza-
ção 3D
1. Representação de re-
levo complexo
2. Cálculo de declividade
GEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOSGEOPROCESSAMENTO - INTRODUÇÃO & MODELAGEM DE DADOS 4242
Representações computacionais para mapasRepresentações computacionais para mapas
Mapas temáticos Arco-nó-polígono Matriz de inteiros
Mapas Cadastrais Arco-nó-polígono
Mapas de Rede Arco-nó
Modelos numéricos deterreno
Grades triangulares ou isolinhas
Matriz de reais
Imagens Matriz de bytes
Vetorial Matricial